一种卫星数传通信频谱异常分析*

江　洁,陈　劼,钟　鸣

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)



一种卫星数传通信频谱异常分析*

江洁,陈劼,钟鸣

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

修回日期：2015-06-11Received date:2015-03-03；Revised date：2015-06-11

摘要：优秀的数传通信链路设计应该能够适应各种情况下的数据传输，某卫星数传分系统在设计初期，发现调制后的频谱异常，分析了特殊情况下数据流设计对偏移正交相移键控(OQPSK)调制信号的影响，找出了卫星数传链路频谱异常的原因。重点分析特殊情况下的输入数据和数据基带处理中组帧加扰方式对OQPSK调制信号星座图和频谱产生的影响，提出适合数传通信链路设计的建议。

关键词：数据流设计；频谱变形；OQPSK调制

0引言

由于电波主要是在自由空间传播，信道参数比较稳定，信道的主要干扰是加性高斯白噪声。在这样的恒参信道中，采用相移键控(PSK)调制方式可以获得最佳的接收性能，而且能有效利用卫星频带，偏移正交相移键控(Offset Quadrature Phase Shift Keying,OQPSK)是一种恒包络调制技术，其频谱特性好，具有非常高的频谱利用率和功率利用率，目前已经成为卫星数据多通道并行下传方案中的主要调制方式之一。

某卫星数传分系统在设计初期的测试中，发现OQPSK调制后频谱测试发生畸变，畸变频谱与典型调制频谱相比，信号主包络在固定位置出现明显的凹陷，目前工程中多采用增加扰码长度选取特定码片来临时解决此问题，且没有相关文献对此现象进行研究。本文针对该畸变原因进行分析和研究，并给出适合数传通信链路设计的建议。目前尚无文献对此类现象进行研究。

1OQPSK调制异常现象

数传系统主要完成星上各载荷遥感数据的接收、格式化编排、数据复接、加扰、数据存储、调制、放大、滤波等处理后通过天线下传信号。

图1数传链路模型

帧格式如图2[1]所示。载荷数据进入数传系统后首先对数据进行复接和组帧，按照图2中的帧格式要求进行数据编码处理。数据编码处理并不改变VCDU数据单元里的数据，只是生成了编码校验符。同时，为了避免数据出现全“0”、全“1”长码，数据处理器要求对复接后的数据进行加扰，其方法是使数据帧除帧头之外的每一位与一个标准的伪随机序列相异或。在接收端，同一序列与所接收的数据帧异或，以去除随机图型，恢复原数据。

图2数传帧格式

如图1所示，载荷数据经过数据处理后送往调制发射，各接口数据关系如图3所示。

图3　IQ分路加扰帧格式

IQ分路组帧是近年来国内新采用的一种数据处理方式，载荷数据送入数据处理器后，针对调制器的输入数据流为两路(I路、Q路)的特点，对这两路数据流分别进行组帧、加扰。其特点是I、Q两路数据具有独立性，信号解调后，可以对其中一路数据直接进行相关分析和使用。

调制后的信号频谱在信号主包络在固定位置出现明显的凹陷，信道带宽112.5MHz，频谱图如图4所示：

图4OQPSK调制后畸变频谱图

2频谱畸变原因分析

2.1OQPSK调制模型

OQPSK调制的原理框图如图4[2]所示：

图5　OQPSK调制器原理框图

图中延迟Ts/2电路为了保证I、Q两个支路码元偏移半个码元周期。低通滤波器(LPF)的作用是对基带信号进行限带处理，带通滤波器(BPF)的作用是形成OQPSK信号的频谱形状，保持包络恒定。

OQPSK信号可表示为：

fOQPSK(t)=I(t)cos(ωct)+Q(t)sin(ωct)

(1)

其中，I(t)、Q(t)为序列I(n)、Q(n)的时域表示，ωc为载波频率。

为了更清楚的示意调制后的时域波形相位的变化情况，这里定义载波频率ωc=2/Ts，Ts为I、Q路信号单个码元周期。该定义不影响仿真分析的有效性，其分析结果普遍适用其它载波频率情况。

QPSK信号两路正交的信号是码元同步的，而OQPSK调制中将正交路信号偏移Ts/2，其目的是消除QPSK调制中已调信号突然相移180°的现象，每隔Ts/2信号相位只可能发生±90°的变化。因而星座图中信号点沿正方形四边移动，如图6所示。

图6OQPSK相位转移图

其中：

(3)

(4)

式中，g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为单个码源周期(即Ts)；且：

(5)

(6)

(7)

2.2机理分析

调制输入信号I(t)、Q(t)在数据处理过程中采用分路组帧、加扰方式，此组帧加扰方式下I(t)、Q(t)分别表示载荷两路独立的输出数据。在实际测试和引用过程中， I(t)、Q(t)分别表示载荷从不同通道获取的同一目标数据，两路数据具有相似性。在测试过程中不失一般性，设I(t)= Q(t)，此时两路数据及其调制后的相位转移图如图7所示。

图7I、Q数据相同时OQPSK调制相位转移图

由图7可以看出，当I、Q两路数据一致时，由调制后时域波形可以看出，载波频率的相位变化始终是-π/2，此时，OQPSK调制的相位转移始终向逆时针方向移动，OQPSK调制信号的时域表达式为：

(8)

此时，如果I(t)=Q(t)，则Q(t)=(t-Ts/2)，其中,I(t)的频域用FI(jω)来表示。

I(t)-jQ(t)、I(t)+jQ(t)的频域表达式为：

(9)

(10)

(11)

(12)

OQPSK调制信号的频域表达式为：

(13)

式中：

(14)

(15)

H1(jω)和H2(jω)的图形如图8所示。

图8　H1(jω)和H2(jω)频域图

OQPSK调制信号的频域表达式可简化为：

(16)

假设I路(或Q路)信号的频谱经过ωc的载波搬移后得到FI(jω)如图9(a)所示，经过OQPSK调制后，频谱如9(c)所示。可以看出，当OQPSK调制的I、Q两路信号相同时，相当于将I路信号的频谱进行了H1(jω)频域的滤波后再将频谱搬移到载波频率ωc。调制后的信号频谱发生畸变，与典型的调制频谱相比，信号主包络频谱在偏离载波频率-π/Ts附近出现明显的凹陷。

(a)FI[j(ω+ωc)]

(b)HI[j(ω+ωc)]

(c)FOQPSK(jω)

2.3仿真分析

由于PN序列的随机性较好，仿真中采用两路相同的PN15序列代替I(t)和Q(t)序列进行仿真分析，这样可以模拟I、Q两路数据自身具有良好的随机性，但两路之间有存在相关性。两路相同的PN15码分别通过I、Q两路送至OQPSK调制，得到频谱图如图10。

图10I、Q数据相同时OQPSK调制频域仿真图

由图10所示的频域仿真图可以看出：当I、Q数据为相同的PN序列时，经过OQPSK调制后频谱图是将PN序列的频域经过H1(jω)频谱的滤波后的频谱平移到载波频率上。OQPSK调制后频谱在偏离载波频率-π/Ts附近出现明显的衰减。

2.4结论

通过上述分析可知，由于载荷数据的组帧方式固定，每一帧数据的编码、加扰方式相同， I、Q两路分别经过相同的编码加扰可以保证I、Q两路数据每一路数据的随机性，但由于每一帧数据的编码加扰方式相同，如果I、Q两路之间的数据相似或相同，经过编码加扰，两路数据之间的相对关系并没有发生明显变化。

分析结果表明，在OQPSK调制方式下，仅仅保证I、Q两路数据自身的随机性是不够的，I、Q两路数据之间随机性不足，会严重影响信号的传输质量，这种影响的特征是调制频谱在偏离载波频率 附近出现明显的衰减。

3改进措施

由于型谱畸变的原因在于I、Q数据分路组帧加扰造成两路数据之间的随机性不足，将I、Q数据合路加扰可以避免两路数据之间的随机性不足。IQ合路加扰帧格式如图11所示。

图11　IQ合路加扰帧格式

上述组帧方式在卫星数传系统中是一种常见的数据处理方式，载荷数据送入数据处理器后，处理器对数据进行复接和组帧；组帧后的数据以帧为单位进行编码、加扰；然后对数据流按bit进行串、并转换成2路数据分别送至OQPSK调制的I路和Q路输入端；。

此组帧加扰方式既可以保证I、Q两路输入数据每一路数据具有随机特性，又可以保证I、Q两路数据之间的关系具有随机特性。

仿真测试中仍然采用相同的PN15序列通过串并变换为2路输入数据作为I、Q两路输入数据，仿真测试结果如图12所示。通过仿真和实测结果可以看出，I、Q合路加扰后的频谱主包络平滑，无畸变现象发生。

图12IQ合路加扰方式后的频谱仿真实测对比

按照CCSDS标准，加扰方式是按帧进行的，I、Q数据合路组帧后，I、Q数据交替与一个标准的伪随机序列相异或，这种数据流设计模型下，每一路的规律性被打破，同时两路之间的规律性也被打破。单独的I路或是单独的Q路解决了出现长“0”、长“1”码的问题，同时I路和Q数据之间的相关性降低。此时，OQPSK调制的相位转移图沿正方形四边移动。而I、Q数据分路组帧后，仅仅解决了两路输入中每一路的随机性，两路之间的相关性没有改变，在目标数据相似或是没有良好的随机性的情况下，相位转移图往往是有规律的向某一方向移动。在频谱上表现为频谱失真。当I、Q数据合路组帧既可以保证每一路数据的随机性，也可以实现两路数据之间相对关系的随机性，频谱包络平滑完整，没有出现凹陷或凸出的频点，适合数传通信链路的数据传输。

4结语

文中I、Q数据合路组帧经OQPSK调制后频谱包络平滑完整，无频谱变形，适合数传通信链路各种情况下的数据传输。而针对I、Q分路组帧产生的频谱变形问题，目前提出了一种新的解决方案，即I、Q分别采用不同的伪随机码本进行加扰，从而破坏I、Q两路数据原本的自相关特性。不同的加扰码本带来两方面的问题：一是数据接收端需用对应的码本对其进行解扰，设备不具有通用性；二是两种伪随机码本该如何选择才能达到较好的信道传输效果，需要进行进一步的分析。

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江洁(1985—)，女，硕士，工程师，主要研究方向为卫星数据处理、调制发射技术；

陈劼(1984—)，男，本科，工程师，主要研究方向为卫星数据编码、调制发射技术；

钟鸣(1977—)，男，硕士，研究员，主要研究方向为卫星数据传输系统方案设计。

Abnormity Analysis of Frequency Spectrum in

Satellite Data Transmission Communication

JIANG Jie, CHEN Jie, ZHONG Ming

(Shanghai Institute Aerospace Electronic Technology, Shanghai 201109, China)

Abstract：Excellently designed data transmission chain should be seasoned to any data transmission under various situations. The initial design of a satellite data transmission subsystem indicates the abnormity of frequency spectrum after OQPSK modulation, and the effect analysis of data stream design on OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) modulating signal in special conditions, reveals the reason for frequency spectrum abnormity of satellite data transmission. This paper emphatically discusses the effect of framing scrambling on OQPSK modulating signal constellation and frequency spectrum in data input and data baseband processing,and gives the suggestions suitable for the design of data transmission communication chain.

Key words：data stream design; frequency spectrum distortion; OQPSK modulation

作者简介：

中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2015)07-0784-06

收稿日期：*2015-03-03；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.007